鈉鈣硅玻璃的制備

綜合實(shí)驗(yàn)報告實(shí)驗(yàn)題目：鈉鈣硅玻璃的制備學(xué)院：材料科學(xué)與工程學(xué)院專業(yè)：無機(jī)非金屬材料第一部分開題報告1.1本課題的目的意義硅酸鹽玻璃是最為廣泛應(yīng)用的玻璃品種，如建筑玻璃、日用玻璃、玻璃纖維、部分光學(xué)玻璃、以及藝術(shù)玻璃等均屬于硅酸鹽玻璃。它們有一定的化學(xué)、熱學(xué)穩(wěn)定性和機(jī)械強(qiáng)度與硬度。其中鈉鈣硅酸鹽玻璃的生產(chǎn)歷史最為悠久，是當(dāng)今產(chǎn)量最高、用途最廣的一類玻璃。玻璃綜合實(shí)驗(yàn)是一種玻璃設(shè)計(jì)性實(shí)驗(yàn)，是讓學(xué)生自己設(shè)計(jì)玻璃的成分與性質(zhì)，指定制備工藝制度，自己動手制備玻璃，確定要測試的性能和性能測試方法。主要目的有：1、打破目前實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目簡單羅列、條塊分割、孤立進(jìn)行的狀況，調(diào)動和發(fā)揮學(xué)生的積極性，培養(yǎng)理論聯(lián)系實(shí)際的能力。2、建立一種新型的實(shí)驗(yàn)教學(xué)形式和方法。3、使學(xué)生受到科學(xué)家和工程師的基本訓(xùn)練。4、加深對專業(yè)理論知識的理解掌握和記憶。5、培養(yǎng)學(xué)生獨(dú)立思考、綜合運(yùn)用專業(yè)知識、獨(dú)立分析解決問題的能力以及動手能力。1.2所制備（研究）材料的特點(diǎn)玻璃是呈現(xiàn)玻璃轉(zhuǎn)變現(xiàn)象的非晶態(tài)固體，是一種在凝固時基本不結(jié)晶的無機(jī)熔融物，玻璃的通性是各向同性，介穩(wěn)性，無固定熔點(diǎn)，性質(zhì)變化的連續(xù)性和可逆行。玻璃性質(zhì)與組成及結(jié)構(gòu)密切相關(guān)。玻璃的不同性質(zhì)之間有其共同特性，因此，可以把玻璃的各種性質(zhì)分為兩類。第一類性質(zhì)，在玻璃組成和性質(zhì)間存在簡單的加和關(guān)系，而與玻璃中離子遷移有關(guān)，如電導(dǎo)、電阻、黏度、介電損耗、離子擴(kuò)散速度、化學(xué)穩(wěn)定性等。第二類性質(zhì)，和玻璃組成間的關(guān)系比較簡單，一般可以利用加合法進(jìn)行推算，如玻璃折射率、分子體積、色散、彈性模量、硬度、熱膨脹系數(shù)、介電常數(shù)等。1.3課題的國內(nèi)外研究現(xiàn)狀：我國玻璃工業(yè)隨著改革開放政策的實(shí)施和行業(yè)結(jié)構(gòu)的優(yōu)化調(diào)整,近年來發(fā)生了很大變化。目前,已成為世界上生產(chǎn)規(guī)模最大的平板玻璃生產(chǎn)國,浮法技術(shù)主導(dǎo)了平板玻璃的發(fā)展。2004年平板玻璃總產(chǎn)量已達(dá)1500萬噸以上,其中“浮法”產(chǎn)量已占總量的84%。加工玻璃發(fā)展也較快,我國現(xiàn)有加工玻璃企業(yè)約4000家,年加工生產(chǎn)能力2.4億m2,深加工率已達(dá)25%,基本滿足了建筑業(yè)和汽車業(yè)的需要。平板玻璃及加工玻璃工業(yè)已成為我國國民經(jīng)濟(jì)發(fā)展和提高人民生活水平不可或缺的重要材料工業(yè)。玻璃行業(yè)的發(fā)展與國民經(jīng)濟(jì)的許多行業(yè)都存在著聯(lián)系，玻璃行業(yè)對推動整個國民經(jīng)濟(jì)的發(fā)展都起著積極作用。因此“十一五”規(guī)劃中也對玻璃產(chǎn)業(yè)的發(fā)展提出了具體要求。也頒布了各項(xiàng)法律法規(guī)來規(guī)范玻璃行業(yè)的健康發(fā)展。在新的形勢下，玻璃工業(yè)必須按照科學(xué)發(fā)展觀的要求，轉(zhuǎn)變增長方式，有效調(diào)整產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)，才能促進(jìn)行業(yè)健康發(fā)展。國內(nèi)比較成熟的浮法玻璃生產(chǎn)企業(yè)以福建的福耀玻璃集團(tuán)和安徽的藍(lán)實(shí)玻璃集團(tuán)為代表.

我國玻璃工業(yè)在發(fā)展運(yùn)行過程中,有以下突出的特點(diǎn):(一)平板玻璃產(chǎn)量快速增長,經(jīng)濟(jì)效益明顯提高。(二)玻璃的供求格局和消費(fèi)結(jié)構(gòu)不斷變化,加工玻璃發(fā)展迅速。(三)生產(chǎn)技術(shù)水平明顯提高,新技術(shù)、新產(chǎn)品不斷發(fā)展。(四)行業(yè)經(jīng)濟(jì)構(gòu)成和“集中度”正在發(fā)生變化。(五)為提高企業(yè)競爭力,逐步向“規(guī)?；?、優(yōu)質(zhì)化、差異化、延長產(chǎn)業(yè)鏈和實(shí)現(xiàn)清潔生產(chǎn)”的方向發(fā)展,同時帶動了產(chǎn)業(yè)升級。(六)國內(nèi)競爭逐步走向“國際化”。(七)平板玻璃新增能力較多,玻璃供需矛盾面臨嚴(yán)峻挑戰(zhàn)。1.4實(shí)驗(yàn)內(nèi)容：1.配料計(jì)算：根據(jù)玻璃組成成分范圍，設(shè)計(jì)自己喜歡的配合料成分，進(jìn)行配料計(jì)算。2.確定升溫制度：在實(shí)驗(yàn)室加熱爐允許的范圍內(nèi)由自己確定升溫速度和保溫時間，并畫出升溫曲線。3.制備合格的配合料。為了保證配合料的準(zhǔn)確性，首先必須將原料經(jīng)過干燥或預(yù)選測定水分含量。根據(jù)自己設(shè)計(jì)的配合料單稱取各種原料（精確到0.01克），將配合料中難熔原料如石英砂等先置于研缽中研磨，將其它原料加入混合均勻。4.熔制玻璃?；旌狭现糜谯釄逯?，按自己設(shè)計(jì)的溫度曲線熔制玻璃。5.把熔制好的玻璃按學(xué)生自己設(shè)計(jì)的模具制成自己喜歡的式樣。6.玻璃性能的測試。根據(jù)所學(xué)的玻璃的性能，選擇自己喜歡的一種性能進(jìn)行測試。7.寫綜合實(shí)驗(yàn)報告。1.5實(shí)驗(yàn)方案及工作計(jì)劃：1.查閱課題有關(guān)的文獻(xiàn)資料（5篇以上）2.在參考文獻(xiàn)資料的基礎(chǔ)上結(jié)合所學(xué)的知識，寫出開題報告。開題報告的內(nèi)容包括：課題名稱，課題的目的意義，所制備（研究）材料的特點(diǎn)，課題的國內(nèi)外研究現(xiàn)狀，實(shí)驗(yàn)內(nèi)容，實(shí)驗(yàn)方案，工作計(jì)劃與日程安排等。3.玻璃成分的設(shè)計(jì)。在明確玻璃中個氧化物的作用和玻璃組成設(shè)計(jì)原則和步驟的基礎(chǔ)上，根據(jù)玻璃的性能，設(shè)計(jì)玻璃成分。4.原料的選擇與制備。玻璃熔制實(shí)驗(yàn)所需的原料一般分為工業(yè)礦物原料和化工原料。由學(xué)生根據(jù)自己的情況任意選擇。5.坩堝的選擇和使用。實(shí)驗(yàn)室常用的坩堝一般有耐火黏土質(zhì)，剛玉質(zhì)，莫來石質(zhì)，熔石英，鋯剛玉質(zhì)和白金等。根據(jù)配合料熔制溫度的要求，進(jìn)一步考慮使用何種工藝，何種材質(zhì)的坩堝。6.玻璃制備（研制）工藝技術(shù)路線的選擇。7.配合料的計(jì)算。以制備100克玻璃為計(jì)算基準(zhǔn)，根據(jù)所選坩堝的大小計(jì)算出料方。8.工藝制度的確定。影響熔制的溫度的因素很多，可以綜合以下三種方法來確定①用T值估算②用黏度（10Pa.s）計(jì)算③參考實(shí)際玻璃的熔制溫度。9.擬定各項(xiàng)實(shí)驗(yàn)的順序，熟悉各項(xiàng)實(shí)驗(yàn)的原理，步驟等。第二部分實(shí)驗(yàn)2.1原料選擇硅酸鹽玻璃主要是以SiO2為主的各種氧化物所組成，根據(jù)各種氧化物在玻璃結(jié)構(gòu)中所起的作用不同可將它們分為玻璃形成體、玻璃中間體、玻璃調(diào)整體，這三類氧化物以不同的品種、比例，組成各具特色的種種玻璃。在實(shí)際生產(chǎn)中提供這三類氧化物的原料主要有硅砂、精砂、白云石、石灰石、芒硝、純堿，以及碎玻璃等。各種原料的化學(xué)組成如下：原料硅砂精砂白云石石灰石芒硝純堿SiO292.2198.973.033.37Al2O34.000.340.500.41CaO0.500.1931.0053.12MgO0.120.0920.890.800.05Fe2O30.210.130.110.12Na2O41.6256.91芒硝含率：3%純堿揮散率：3.1%碎玻璃的百分含量：25%在明確玻璃中各氧化物的作用和玻璃組成設(shè)計(jì)原則和步驟的基礎(chǔ)上，根據(jù)玻璃的性能，設(shè)計(jì)玻璃配合料成分的百分含量如下：組成SiO2Al2O3CaOMgOFe2O3Na2O合計(jì)百分含量731.58.44<0.13141002.2配料計(jì)算純堿和芒硝用量設(shè)芒硝用量為Mg,根據(jù)芒硝含率得M*0.4162/14=3%M=（0.03*14）/0.4162=1.01Kg設(shè)純堿的量為P=(14-0.4162*1.01)/5.691=23.86Kg②硅砂和精砂設(shè)硅砂用量為Xg,精砂為Yg.則0．9221X+0.9897Y=730.04X+0.0034Y=1.5由以上兩個方程得X=33.92Y=42.16兩者所引入的諸氧化物量為原料SiO2Al2O3Fe203Ca0Mg0硅砂28.6961.2450.0650.1560.037精砂42.2210.1450.1320.0810.038③設(shè)白云石和石灰石用量為Xg,Yg0.31X+0.5312Y=8.4-0.005*33.92-0.0019*42.16=8.150.2089X+0.008Y=4-0.0012*33.92-0.0009*42.16=3.92由以上兩個方程得X=18.59Y=4.49兩者所引入的諸氧化物為原料SiO2Al2O3Fe2O3CaOMgO白云石0.5630.0930.0205.7633.883石灰石0.1510.0180.0052.3850.0359④校正硅砂，精砂0.9221X+0.9897Y=72-0.0303*18.59-0.0337*4.49=70.920.04X+0.0034Y=1.5-0.005*18.59-0.0041*4.49=1.39由以上兩個方程得X=31.12Y=42.66兩者所引入的諸氧化物為原料SiO2Al2O3Fe2O3CaOMgO硅砂28.6961.2450.0650.1560.037精砂42.2210.1450.1320.0810.038把上述計(jì)算結(jié)匯總成原料用量表 原料硅砂精砂白云石石灰石芒硝純堿合計(jì)數(shù)量g31.1242.6618.594.491.0123.86122.43碎玻璃摻入量XgX/(X+122.43)=25%得碎玻璃加入量為40g則配置240g玻璃液所需要稱量的原料(g)碎玻璃40g白云石18.59*2=37.18g石灰石4.49*2=8.98g硅砂31.12*2=62.24g精砂43.66*2=85.32g芒硝1.01*2=2.02g純堿23.86*2=47.72g碎玻璃40g2.3升溫制度設(shè)定升溫制度：段數(shù)0001020304050607080910溫度T(℃)253003006006009009001200120015201520時間t（分）405405405405751400U值5050505050505050505050功率2530404550556070858585繪制溫度曲線2.4配合料制備1、配合料稱量本實(shí)驗(yàn)配合料均來自玻璃廠已加工完成混合之前的原料，其粒度等已達(dá)到實(shí)際生產(chǎn)需要，但作為實(shí)驗(yàn)室用原料可能會造成一定的誤差，因此仍需將部分原料過篩。根據(jù)上述配料計(jì)算的配料單稱取各種原料（精確到0.01），將其置于混料機(jī)中混合均勻。2、配合料熔制混合料置于坩堝中，按自己設(shè)計(jì)的溫度曲線熔制玻璃。3、玻璃液成型把熔制好的玻璃液按自己設(shè)計(jì)的模具制成自己喜歡的樣式。4、注意事項(xiàng)a高溫操作時要戴防護(hù)用具。b操作時必須嚴(yán)肅認(rèn)真，注意安全。c鉗坩堝時要防止發(fā)生意外，注意坩堝鉗與硅鉬棒的距離。d坩堝放置要平穩(wěn)，防止玻璃液溢出。2.5成分檢測1）檢測方法：1．標(biāo)準(zhǔn)溶液；0.1MEDTA標(biāo)準(zhǔn)溶液：滴定度：TCao=0.4703TMgo=0.338TAl2O3=0.42750.02M醋酸鋅標(biāo)準(zhǔn)溶液K=0.82．普通濃度溶液；三乙醇胺0.1%酒石酸0.1%對硝基分1：1HCl1：1NH4OH10%NaOH1MHClPH=10銨緩沖液20%NaOH8%鉬酸銨2%硼酸氫氟酸HT1：1H2SO412%KF20%六次甲基四胺10%鹽酸3．指示劑鈣指示劑抗壞血酸鎂指示劑0.1%鄰菲羅啉二甲酸橙4．標(biāo)準(zhǔn)曲線SiO2標(biāo)準(zhǔn)曲線Fe2O3標(biāo)準(zhǔn)曲線儀器：1600℃的高溫爐分析天平722分光光度計(jì)烘干箱電爐水浴試樣制備：將混合配合料放入瓷坩堝里在1560℃下熔解成玻璃液狀態(tài)，拿出冷卻玻璃熔塊加熱，用冷水取成碎塊研成粉末，在105℃烘干待用。一、二氧化硅的測定：二氧化硅的測定：準(zhǔn)確稱取0.5g（預(yù)先經(jīng)烘干冷卻）試樣與鉑坩堝中，加少許無水碳酸鈉混勻，再加入0.2g左右的碳酸鈉蓋上面，在1100℃高溫爐中熔15分鐘，取出冷卻?？廴脬K蒸發(fā)皿中，用濃鹽酸和熱水溶解熔快，將蒸發(fā)皿放在水浴中蒸發(fā)至干，冷卻。加入鹽酸潤濕試樣用5%鹽酸溶液（熱）熱水過濾，將濾液和沉淀一起放入鉑坩堝中，加入兩滴硫酸溶液，低溫灰化，在放高溫爐中灼燒一小時，冷卻稱量，再加水潤濕。加5—7mlHF在電爐上蒸發(fā)至干，再在1560℃高溫爐中灼燒1小時，冷卻稱量。樣重+皿重：1.2194皿重：0.7140樣重：0.5009第一次灼燒后稱量：24.9887第二次灼燒后稱量：24.6324沉淀中二氧化硅含量為（24.9887-24.6324）÷0.5009×100%=71.13%將以上濾液稀釋至250ml刻線搖勻，吸25ml于塑料杯中加入5M12%KF溶液放置15分鐘。再加入5ml2%硼酸加2滴對硝基粉，放置15分鐘后加15ml1:1HCl，加入抗壞血酸轉(zhuǎn)移到100ml容量瓶中，用水稀釋至刻度線，搖勻，1小時后用722分光光度計(jì)比色。比色值：SiO2-------0.602÷2查SiO2標(biāo)準(zhǔn)曲線值：0.355濾液中SiO2含量：0.355÷0.5009=0.71%試樣中SiO2含量=71.13%+0.71%=71.84%二、鐵鋁鈣鎂的測定稱0.5g左右試樣于鉑蒸發(fā)皿中加水潤濕，加2ml1：1H2SO45~7mlHF于電爐上蒸發(fā)至干，冷卻加入8mlHCl及適量水加熱溶解，冷卻后轉(zhuǎn)于250ml容量瓶中，用水稀釋至刻度線搖勻，待用。試樣+皿重：1.2125g皿重：0.7142g試樣重：0.4983g三氧化二鋁的測定：吸2.5ml以上試液于250ml燒杯中，過量10mlEOTA(濃度為0.1M)標(biāo)準(zhǔn)溶液加100ml水加熱60℃左右，加2滴二甲酚橙，用1：1NH4OH調(diào)成紫色，再用1：1HCl調(diào)成黃色。在電爐上加熱煮沸3分鐘冷卻。加5ml20%六次甲基四胺。用醋酸鋅標(biāo)準(zhǔn)溶液滴定。滴至溶液由黃色變?yōu)榫萍t色即為終點(diǎn)。消耗醋酸鋅體積為：15.98=3%=1.35-0.13=1.22式中K=0.8V=10V0=10.52三氧化二鐵測定吸25ml試液于100ml容量瓶中加5ml酒石酸，1滴對硝基粉，用NaOH調(diào)成黃色，用1：1HCl調(diào)成無色，加2ml鹽酸羥胺、10ml鄰菲羅啉。用水稀釋至刻度線搖勻，20分鐘后比色。比色值：Fe2O3-------0.116查Fe2O3標(biāo)準(zhǔn)曲線值：0.086Fe2O3%=（查Fe2O3標(biāo)準(zhǔn)曲線值/樣重）×100%=0.17%注：樣重為：0.5027g氧化鈣測定：吸25ml試液于250ml燒杯中加3ml三乙醇胺，100ml水用20%NaOH調(diào)至pH=12,再過量2ml20%NaOH，加鈣指示劑，用EDTA標(biāo)準(zhǔn)溶液滴至溶液由紫色變?yōu)榱撂m色。消耗EDTA的體積：==8.95%氧化鎂的測定：吸25ml試液于250ml燒杯中加3ml三乙醇胺，100ml水用1：1NH4OH調(diào)至pH=10，再加5mlpH=10的銨緩沖液，加鎂指示劑，用EDTA標(biāo)準(zhǔn)溶液滴至溶液由紫紅色變?yōu)樘m綠色。==3.98%成分FeOSiO2樣品同皿重1.21251.2149皿重0.71420.7140樣品重0.49830.500924.988724.632471.13Fe2O3---0.078----0.076SiO2----0.321----0.175CaO---6.57MgO---10.99Al2O3—11.52（1.42-0.10=1.32）SiO2=0.35+71.45=71.80測定結(jié)果化學(xué)成份SiO2Al2O3Fe2O3CaOMgONa2OK2OB2O5Z.L71.801.320.158.334.022.6玻璃配合料均勻度的測定2.61實(shí)驗(yàn)儀器設(shè)備DDS-11A型電導(dǎo)率儀；天平；100mL量筒；蒸餾水；100mL燒杯若干個。2.62測定方法與步驟準(zhǔn)確稱量2g試樣，分散在100mL蒸餾水中，經(jīng)攪拌(不加熱)而充分溶解，隨即測定。測定方法：采用DDS-11A型電導(dǎo)率儀來測定這種導(dǎo)電能力，該儀器以兩片電極浸入溶液，測定兩極間的電阻R，而以電導(dǎo)率K表示(操作步驟參看電導(dǎo)儀的使用說明書)。2.63測試數(shù)據(jù)單位（*/㎝）0.2380.3020.2620.2220.2220.2490.2200.2390.2240.2352.64均勻度計(jì)算一般采用的有限次測定試樣的標(biāo)準(zhǔn)離差，如下式所示：==0.241=0.025=(0.025/0.241)*100%=10.5%則均勻度：=100%-10.5%=89.5%2.7玻璃密度的測定2.71儀器設(shè)備測定設(shè)備主要包括恒溫水浴、水銀接觸溫度計(jì)，水銀溫度計(jì)，調(diào)壓器，試管。實(shí)驗(yàn)裝置如圖3-1所示。圖3-1浮沉法測定密度的裝置1-玻璃水箱；2-鋼加熱旋管；3-試管夾；4-水銀接觸溫度汁；5-水銀溫度計(jì)；6-攪拌器；7-測溫管；8-測定管；9-臺燈；10-刻度線；11-混合液面；12-水浴液面2.72實(shí)驗(yàn)過程1．試樣制備取直徑約3mm、長約10mm的玻璃棒，應(yīng)沒有氣泡、條紋、結(jié)石和析晶等缺陷，并在應(yīng)力儀上觀察退火情況，要求沒有應(yīng)力存在。然后放在酒精或蒸餾水中洗凈，用清潔的毛巾擦干，以備試驗(yàn)用。在操作過程中，用鑷子夾取試樣，勿用手取，以免沾污試樣影響測定結(jié)果。2．標(biāo)準(zhǔn)試樣的選擇標(biāo)準(zhǔn)試樣一般選擇準(zhǔn)確成分的均勻玻璃，標(biāo)準(zhǔn)試樣與被測試樣的密度最好差0.001～0.002g/mL(0.6～1.2℃)左右。通常為了區(qū)別于普通試樣，我們總把標(biāo)準(zhǔn)試樣截短一些。標(biāo)準(zhǔn)試樣的密度可用排水法測定。3．重液的選擇和準(zhǔn)備選擇：應(yīng)選擇密度不同的兩種液體來配制混合液，其中一種液體的密度應(yīng)小于玻璃的密度，而另一種液體的密度則應(yīng)大于玻璃的密度，并且兩種液體可以相互溶解。同時在選擇制備混合液的液體時，應(yīng)選擇揮發(fā)性盡可能小，對人體無毒害的液體，一般Na2O-CaO-SiO2玻璃的的密度多在2.5～2.6g/mL左右，在浮降法中選用α-溴代荼(C10H7Br，D20/41.482-1.512)和四溴乙炔(CHBr2-CHBr2，D20/42.962-2.968)混合成重液。由于它對光、水蒸氣、空氣都很穩(wěn)定，和玻璃不起作用所以比較適用。準(zhǔn)備：先把四溴乙炔放在三角瓶內(nèi)(或直接加到試管中)投入一小塊試樣飄浮其上，然后由滴管慢慢加入α-溴代荼，如果認(rèn)為下沉溫度低了，就再加四溴乙炔，直到完全適合為止，一般在略高于室溫的溫度下，使試樣飄浮在重液的上面，升溫至30～35℃左右時，試樣下沉，這樣便于讀數(shù)。4．實(shí)驗(yàn)步驟(1)欲測的一組玻璃試樣(一般為三個和相應(yīng)的標(biāo)準(zhǔn)試樣）放入已準(zhǔn)備好的重液中，緊試管塞。(2)電加熱恒溫槽，電流為1.2A，通過攪拌器，使槽內(nèi)溫度均勻。在玻璃被測試樣(或標(biāo)準(zhǔn)試樣)下沉溫度約2℃時，使恒溫槽保溫20～30min，這時以大約1A電流加熱，這樣的升溫速度大約是0.1℃/min。(3)升溫過程中，不時晃動試管，以免液面的表面張力影響試樣自由下沉。(4)試樣開始緩緩下沉后，注意觀察，將每個樣品上任一點(diǎn)到達(dá)試管上刻線時的溫度逐一記錄下來。取平均值(Tx)，同樣也仔細(xì)記錄標(biāo)準(zhǔn)試樣下沉?xí)r的溫度，取平均值(TS)，由水銀接觸溫度計(jì)和普通水銀溫度計(jì)配合讀數(shù)，準(zhǔn)確至1/100℃。五、實(shí)驗(yàn)記錄及結(jié)果將實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)記錄于表3-1中，并按式(3-2)計(jì)算試樣的密度。表3